SUPERVISOR
Kayghobad Shams
کیقباد شمس اسحاقی (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Ebrahim Soltani
محمدابراهیم سلطانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Continuous Extraction ofHeavy Metals Using Emulsion Liquid Membrane Technique
Emulsion liquid membranes (ELMs) are means by which one can integrate extraction and stripping. Integration of separation steps and high flux are the two major advantages of separation of chemical species using ELM technique. In practice, the combination of the extraction and stripping processes removes the equilibrium limitations, and as a result, the solute concentrations in the feed phase can be reduced to very low levels. Therefore, highly dilute feed solutions amenable for enrichment/separation by ELM separation technique. However, ELM separation technique still suffers from two substantial problems: a- membrane breakage, and b- emulsion swelling. These two drawbacks need to be addressed whenever this technique is utilized. Emulsion liquid membranes have been successfully used in separation and enrichment processes because of high mass transfer flux of and no equilibrium limitation. The high flux mass transfer in ELMs is attributed to high surface area of contact and enhanced mass transfer induced by chemical reaction. One of the most important applications of this process is the extraction of heavy and precious metals. In this study, attempt has been made to experimentally investigate continuous extraction of heavy metals using emulsion liquid membrane from synthesized model media. Comparison of the results obtained in both batch and continuous processes using ELMs has been the main objective of this research.To perform extraction experiments using ELM technique in continuous mode, a column like Oldshue-Rushton extraction column was designed, constructed, and utilized. Briefly, the home -made column was composed of eleven separate cells that could easily be assembled, thus the total height of the column could be adjusted as needed by changing the number of cells. Because of the large number of variables affecting this process, the optimal values of variables were first determined results acquired using the batch process. Then, these values were used in the continuous experiments. In this study, the extraction of Chromium and Zirconium ions from the model media were investigated. Span80 as the surfactant, D2EHPA as the carrier, light and heavy paraffin as the membrane, HCl as the internal phase, and model media solutions of Cr(III) and Zr(IV) ions in water as the external phase/feed were used in performing the experiments. Model compound media for both ions were prepared using chloride salts of the pertinent elements. Optimal operating condition for extraction of chromium ions were obtained from literature, and were used in the continuous ELM separation column.The operating variables in the continuous ELM process for separation of Cr (III) ions include feed flow rate and its ratio to emulsion. Results show that the Cr (III) extraction under optimal conditions were 99% in the continuous process compared to 95% in the batch process. This indicates a 4% enhancement of the efficiency in continuous operation. In addition, the extraction from the feed (external phase) increases as the viscosity ( composition of heavy paraffin in the liquid membrane) of the membrane phase increases, however, the emulsion swelling first decreases and then increases as viscosity (concentration of heavy paraffin) goes up.In extraction of Zr ions from the external phase, the influence of the variables such as agitation speed, carrier concentration, surfactant concentration, the ratio of membrane to internal phase (O/W), and extraction time were investigated and the optimal operating values of these process variables were determined. The results show that the optimal values of the aforementioned variables were 400 rpm, 1% V/V, 1%V/V, 2 and 6 minutes, respectively. Application of the ELM technique in batch and continuous mode under similar conditions for removal of zirconium ions leads to 95 and 99.53 % separation, respectively. This indicates about 4.5% improvement of extraction efficiency in continuous ELM method. Key words : Extraction, continuous process, Emulsion liquid membrane, Chromium, Zirconium,Model media.
در این پژوهش استخراج پیوسته فلزات سنگین با استفاده از غشاء مایع امولسیونی از محلول آبی سنتز شده مورد مطالعه و بررسی آزمایشگاهیقرار گرفته است. فرآیند غشاء مایع امولسیونی به دلیل مزایای فراوان از جمله شار بالای انتقال جرم (به دلیل سطح بالا و انتقال جرم همراه با واکنش شیمیایی) و عدم وجود محدودیتهای تعادلی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. استخراج فلزات سنگین یکی از مهمترین کاربرد های این روش می باشد که فرآیند پیوسته ی آن هدف اصلی این پژوهش می باشد. انجام آزمایشات فرآیند پیوسته مستلزم طراحی و ساخت تماس دهنده ای خاص می باشد، به همین منظور ستونی شبیه ستون استخراجOldshue - Rushtonبه گونه ای طراحی و ساخته شد که در عین ثابت بودن ارتفاع مراحل، جهت تأثیر تعداد مراحل بر میزان استخراج ارتفاع کلی برج متغیر می باشد. با توجه به تعداد زیاد متغیرهای مؤثر بر این فرآیند ابتدا مقادیر بهینه ی متغیرها با استفاده از فرآیند ناپیوسته تعیین و سپس این مقادیر در فرآیند پیوسته استفاده شده است. در این پژوهش استخراج کروم و زیرکونیوم مورد مطالعه قرار گرفته است که مواد مورد استفاده عبارتند از: Span80به عنوان ماده ی فعال سطحی، D 2 EHPA به عنوان ماده ی حامل، پارافین به عنوان غشاء، HCl به عنوان فاز داخلی و نمکهای کروم و زیرکونیوم به عنوان فاز خارجی. با توجه بهمطالعات صورت گرفته ی قبلی بر روی استخراج کروم با استفاده از این فرآیند و تعین مقادیر بهینه یمتغیرها، در فرآیند ناپیوسته تنها اثر ویسکوزیته ی فاز غشاء بررسی شده است. این بررسی نشان می دهد میزان استخراج با افزایش ویسکوزیته ی فاز غشاء افزایش می یابد اما میزان تورم امولسیون با افزایش ویسکوزیته ابتدا کاهش و سپس افزایش می یابد. در استخراج زیرکونیم با این روش که تا کنون بررسی نشده است تأثیر متغیرهایمؤثر بر فرآیند بررسی و مقادیر بهینه ی آنها تعیین شده است. دور همزن، غلظت ماده ی حامل، غلظت ماده ی فعال سطحی، نسبت غشاء به فاز داخلی(o/w) و زمان تماس متغیرهایی هستند که تأثیر آنها بر میزان استخراج بررسی و مقادیر بهینه ی آنها تعیین شده است که به ترتیب عبارتند از:rpm 400، V/V% 1، V/V% 1، 2 و 6 دقیقه. در نهایت از مقادیر بهینه ی بدست آمده در فرآیند ناپیوسته جهت انجام آزمایش هایفرآیند پیوسته استفاده شد. متغیرهای مورد بررسی در فرآیند پیوسته عبارتند از شدت جریان خوراک، نسبت شدت جریانها و غلظت فاز خارجی. میزان استخراج کروم در شرایط بهینه برای فرآیند پیوسته % 99 می باشد در حالی که در همین شرایط میزان استخراج فرآیند ناپیوسته % 95 بوده که نشان از افزایش4 درصدی بازدهفرآیند پیوسته در مقایسه با فرآیند ناپیوستهمی باشد. در مورد زیرکونیوم نیزمیزان استخراج در شرایط بهینه برای فرآیند پیوسته % 53/99 می باشد در حالی که در همین شرایط میزان استخراج فرآیند ناپیوسته % 95 بوده که نشان از افزایش 5/4 درصدی بازده فرآیند پیوسته در مقایسه با فرآیند ناپیوسته می باشد. در مجموع فرآیندپیوسته ی غشاء مایع امولسیونی جایگزین بسیار مناسبی برای فرآیندهای قدیمی و کم بازده می باشد. کلمات کلیدی: استخراج، فرآیند پیوسته، غشاء مایع امولسیونی، کروم، زیرکونیوم.